L'utilisation de l'énergie du débit d'eau, le dispositif des ouvrages hydrauliques des centrales hydroélectriques (HPP)

Énergie des débits d'eau

L'énergie (potentiel) du débit d'eau est déterminée par deux quantités : la quantité d'eau qui coule et la hauteur de sa chute vers la bouche.

À l'état naturel, l'énergie du débit de la rivière est dépensée pour l'érosion du canal, le transfert de particules de sol, le frottement sur les berges et le fond.

De cette façon, l'énergie de l'écoulement de l'eau est répartie dans tout l'écoulement, bien qu'inégalement — en fonction des pentes du fond et du débit secondaire de l'eau. Afin d'utiliser l'énergie du flux dans une certaine zone, il est nécessaire de la concentrer dans une section - dans un alignement.

Parfois, une telle concentration est créée par la nature sous la forme de cascades, mais dans la plupart des cas, elle doit être créée artificiellement, à l'aide de ouvrages hydrauliques.

La centrale hydroélectrique d'Itaipu est la plus grande centrale hydroélectrique au monde pour la production d'électricité

L'énergie est concentrée sur le chantier centrales hydroélectriques (HPP) deux façons:

• un barrage bloquant la rivière et élevant l'eau dans le bassin en amont — en amont à N mètres du niveau du bassin en aval — en aval. La différence des niveaux amont et aval H est appelée hauteur de charge. Les centrales hydroélectriques dont la tête est créée par un barrage sont appelées quasi-barrages et sont généralement construites sur des rivières plates;

• à l'aide d'un canal de dérivation spécial - un canal de dérivation. Les stations de dérivation sont principalement construites dans les zones montagneuses. Le canal de dérivation a une très faible pente, de sorte qu'à son extrémité, toute la tête de la section fluviale entourée par le canal est presque complètement concentrée.

Force d'écoulement dans l'alignement de la structure est déterminé par la quantité d'eau traversant la vanne en une seconde, Q et la hauteur H. Si Q est mesuré en m3/sec et H en mètres, alors le débit dans la section sera égal à :

Pp = 9,81 * Q* 3 kW.

Seule une partie de cette capacité, égale au rendement de l'installation, sera utilisée dans les générateurs électriques de la centrale hydroélectrique. Par conséquent, la puissance de la centrale électrique à la tête H et le débit d'eau à travers les turbines Q seront :

P = 9,81*B* H* efficacité kW.

Salle des machines pour une centrale hydroélectrique

Dans les conditions réelles d'exploitation des centrales hydroélectriques, une partie de l'eau peut être rejetée au-delà des turbines.

L'énergie des cours d'eau est utilisée depuis des siècles. L'utilisation généralisée de l'énergie hydraulique n'est devenue possible qu'à la fin du XIXe siècle, lorsqu'elle a été inventée transformateur électrique et créé système à courant alternatif triphasé... La capacité de transmettre l'énergie sur de longues distances a permis d'exploiter l'énergie des courants d'eau les plus puissants.

La centrale hydroélectrique chinoise des Trois Gorges, située sur le fleuve Yangtsé, est la plus grande au monde en termes de capacité installée.

Composition et agencement des installations hydrotechniques des centrales hydroélectriques

La structure de l'unité de structures d'une centrale hydroélectrique de barrage comprend généralement:

• tête de barrage. Dans la partie supérieure du barrage, un réservoir de volume plus ou moins important est formé en fonction des conditions topographiques et de la hauteur du barrage, qui régule le débit d'eau à travers les turbines conformément au programme de charge ;

• bâtiment hydroélectrique;

• gouttières, ayant une autre destination et par conséquent une conception différente : évacuer l'eau excédentaire non utilisée dans les turbines, par exemple lors d'inondations (débordements) ; pour abaisser l'horizon hydrique dans les eaux de débordement, ce qui est parfois nécessaire, par exemple, lors de la réparation d'installations hydrauliques (drainage) ; pour la distribution de l'eau entre les usagers de l'eau (installations de prise d'eau);

• moyens de transport — des écluses navigables, fournissant par navigation sur le fleuve, des étagères et des radeaux pour le rafting en bois ;

• installations de passage du poisson.

Section sur la construction de la centrale hydroélectrique

Structures typiques de la centrale hydroélectrique de dérivation — canal de dérivation et tuyauterie du canal aux turbines.

La valeur principale, le maillon le plus techniquement responsable et le plus coûteux du bloc de centrales hydroélectriques est le barrage. Les barrages se distinguent le long du chemin de passage de l'eau:

• sourdqui ne permettent pas le passage de l'eau;

• déversoirdans lequel l'eau déborde sur la crête du barrage;

• panneauqui laissent entrer l'eau lorsque les boucliers (portes) sont ouverts.

Cornalvo est un barrage en Espagne, dans la province de Badajoz, qui fonctionne depuis près de 2 000 ans.

Les barrages sont généralement en terre et en béton.

Le profil transversal du barrage en terre : 1 — dent ; 2 - couche protectrice de sable et de gravier ; 3 - grille d'argile : 4 - corps de barrage ; 5 — couche de base imperméable

La figure montre le profil d'un barrage en argile construit sur une couche perméable de faible épaisseur. Le corps du barrage est évacué de tout sol qui ne contient pas une grande quantité d'impuretés organiques et de sels solubles dans l'eau.

Lors du remplissage d'un barrage avec des sols perméables, une grille d'argile est placée dans le corps du barrage pour empêcher la filtration de l'eau. La couche perméable sur laquelle est construit le barrage est coupée par une dent étanche pour les mêmes raisons.

Si le barrage est complètement rempli d'argile ou de sol sablonneux, il n'est pas nécessaire d'installer une barrière anti-infiltration. Au-dessus, l'écran est recouvert d'une couche protectrice de sable et de gravier, qui à son tour est protégée de l'érosion par les vagues par un dallage en pierre (de la crête du barrage à une marque située à 0,5 - 0,7 m sous l'horizon d'eau le plus bas possible dans les hautes eaux).

Lors du remplissage d'un barrage en argile, chaque couche est soigneusement compactée avec des rouleaux. Le drainage de l'eau à travers la crête d'un barrage en argile est inadmissible, car il existe un risque d'érosion. Une route est généralement construite le long de la crête d'un barrage en terre, qui définit la largeur de la crête. La crête est asphaltée de la manière habituelle.

La largeur de la base du barrage dépend de sa hauteur et de l'inclinaison supposée des pentes par rapport à l'horizon. La pente amont devient plus plate que la pente aval.

Actuellement, la méthode d'hydromécanisation est largement utilisée dans la construction de grands barrages en terre.

Willow Creek Dam, Oregon, États-Unis, un barrage gravitaire en béton

Schéma d'un barrage en béton aveugle : 1 — drainage du barrage ; 2 — galerie de visualisation ; 3 — collecteur ; 4 — drainage de la fondation

La figure montre un barrage en béton vide avec un profil régulier avec une voie de circulation sur le dessus. Pour une connexion plus fiable du barrage avec le sol et les berges, la fondation du barrage est réalisée sous la forme de plusieurs corniches. Une dent d'une profondeur de 0,05 à 1,0 Z est située du côté pression.

Pour lutter contre la filtration, des rideaux anti-filtration sont placés sous la dent, pour lesquels, à travers un système de forages d'un diamètre de 5 à 15 cm, la solution de ciment est injectée dans les fissures de la base (sol).

Bien que le corps du barrage soit en béton solide, l'eau s'infiltre toujours à travers. Afin de drainer cette eau en aval, un système de drainage est aménagé dans le barrage, constitué de puits verticaux - drains (d'un diamètre de 20 à 30 cm) pratiqués dans le corps du barrage tous les 1,5 à 3 m.

L'eau drainée à travers eux entre dans les cuvettes de la galerie d'observation 2, d'où elle est conduite à travers des collecteurs horizontaux 3 vers le bassin inférieur. La galerie d'observation, qui court dans le corps du barrage sur toute sa longueur, est faite pour surveiller l'état du béton et la filtration de l'eau.

Les ouvrages d'adduction d'eau dérivés sont le plus souvent réalisés sous la forme d'un canal à ciel ouvert. Dans les sols mous, la section du canal est généralement trapézoïdale. Les parois et le fond du canal sont revêtus de béton ou d'asphalte pour réduire la filtration, prévenir l'érosion, réduire la rugosité et les pertes de charge associées. Un revêtement en pavé uni est également utilisé.

Les canaux de dérivation dans les sols rocheux ont une section rectangulaire. S'il n'est pas possible de réaliser un canal ouvert, des évidements de section rectangulaire ou circulaire sont utilisés. L'eau du canal de dérivation vers les turbines est acheminée par des canalisations. Les canalisations sont métal, béton armé et bois.